Syllabus
- Elektrostatika
Elektrický náboj, Coulombův zákon, intenzita elektrického pole, princip superpozice. Potenciál, napětí jako rozdíl potenciálů, souvislost intenzity a potenciálu. Matematický aparát potřebný pro popis elektrostatického pole (operátory grad, div, rot, Laplaceův operátor, Gaussova a Stokesova věta). Siločáry a ekvipotenciální plochy. Gaussova věta elektrostatiky a příklady jejího využití v konkrétních úlohách. Laplaceova a Laplaceova-Poissonova rovnice. Elektrický dipól a jeho pole, dipól ve vnějším poli (síla, moment síly, energie). Elektrické pole vodičů, kapacita, kondenzátor, energie kondenzátoru, energie elektrostatického pole. Metoda obrazů (pole náboje u vodivé roviny). Elektrostatické pole v dielektriku, polarizace, elektrická indukce, permitivita látek.
- Stacionární elektrické pole, elektrický proud
Elektrický proud jako tok náboje, hustota proudu. Zákon zachování náboje a rovnice kontinuity v integrálním a diferenciálním tvaru. Stacionární elektrický obvod, Kirchhoffovy zákony, elektromotorické napětí. Ohmův zákon (i v diferenciálním tvaru), měrný odpor a vodivost, vodivost různých materiálů. Jouleův ohřev, výkon elektrického proudu. Spojování rezistorů, dělič napětí, reostat, potenciometr, Wheatstoneův můstek, metody řešení elektrických obvodů. Nelineární prvky (žárovka, LED), voltampérová charakteristika. Typické miskoncepce spojené s chováním elektrického proudu v elektrických obvodech.
- Stacionární a kvazistacionární magnetické pole
Magnetická indukce, magnetické indukční čáry, magnetický indukční tok, neexistence magnetických monopólů. Pole permanentních magnetů: Působení vnějšího pole na magnet, síly mezi magnety, magnetická intenzita. Paramagnetika, diamagnetika, feromagnetika. Permeabilita, hysterezní smyčka. Energie magnetického pole (a síla mezi magnety v magnetickém obvodu), Hopkinsonův zákon.
Magnetické pole stacionárního proudu: Oerstedův pokus, Ampérův zákon celkového proudu (a jeho aplikace pro výpočet magnetické intenzity v jednoduchých případech). Působení magnetického pole na vodič s proudem, Lorentzova síla, definice ampéru. Vektorový potenciál, Biotův-Savartův zákon; příklady využití pro výpočet magnetického pole. Faradayův zákon elektromagnetické indukce, Lenzovo pravidlo, vířivé proudy. Vlastní a vzájemná indukčnost, cívka, indukčnost solenoidu a toroidu. Přístroje využívající magnetické pole stacionárního proudu a působení magnetického pole na vodič s proudem.
- Střídavé obvody
Přechodové jevy: nabíjení a vybíjení kondenzátoru, indukce napětí v cívce při zapnutí a vypnutí proudu, aplikace. Energie cívky s proudem. LC a sériový RLC oscilační obvod, tlumené kmity, rezonance. Střídavý proud: vznik střídavého proudu, komplexní vyjádření střídavého proudu a napětí, fázory. Chování rezistoru, kondenzátoru a cívky v obvodu střídavého proudu, impedance, fázové posuvy. RC obvod, RL obvod, sériový RLC rezonanční obvod, příklady využití (dolnofrekvenční a hornofrekvenční propust, laděný obvod), řešení střídavých obvodů. Výkon střídavého proudu, účiník. Třífázový proud. Transformátor a jeho vlastnosti.
- Nestacionární elektromagnetické pole
Maxwellovy rovnice a jejich význam. Hustota energie a hustota toku energie elektromagnetického pole, Poyntingův vektor. Řešení Maxwellových rovnic ve vakuu ve tvaru rovinných elektromagnetických vln: odvození vlnové rovnice, řešení ve tvaru postupné rovinné vlny, rychlost šíření, vlnění je příčné, hustota energie a hustota toku energie v elektromagnetické vlně.
- Vedení elektrického proudu v látkách, příklady technických aplikací
Vedení proudu v kapalinách a plynech. Faradayovy zákony elektrolýzy. Elektronky a polovodičové prvky (dioda, tranzistor řízený polem).
Annotation
Elektřina a magnetismus od Coulombova zákona k Maxwellovým rovnicím: Elektrostatika, stacionární elektrický proud, stacionární a kvazistacionární magnetické pole, přechodové jevy a střídavý proud, nestacionární elektromagnetické pole. Je kladen důraz na potřeby budoucích učitelů fyziky: průběžně je objasňován význam matematického aparátu a ilustrována souvislost formálního popisu a teoretických odvození s elementárnějšími
úvahami a konkrétními pokusy využitelnými ve výuce na školách a s technickými aplikacemi. Při výuce jsou využívány metody vedoucí k lepšímu konceptuálnímu pochopením látky.